JP2006196830A - Surface luminescence semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、面発光型半導体素子に関する。 The present invention relates to a surface emitting semiconductor element.
半導体レーザや半導体発光ダイオード等の半導体発光素子は、光通信分野をはじめとして、CD(Compact Disc)やDVD(Digital Versatile Disc)等の光ディスクシステム或いはバーコード・リーダ等において、広く使用されている。こうした光通信をはじめとする各種応用分野で使用する場合、半導体レーザに存在する、「縦モード」、「横モード」、「偏波モード」の3つのモードについて、動作モードを単一化することが重要となる。現在、光通信分野で主に用いられる端面発光型半導体レーザは、偏波モードは安定で、変動することがない。これは、端面発光型半導体レーザの場合、共振器が導波路から構成され、導波路端面の反射率がTM(Transverse Magnetic)波よりTE(Transverse Electric)波の方が大きく、電界ベクトルが半導体基板に平行な方向のTE波で発振する。縦モードも、分布帰還型構造を取り入れることなどにより単一化が実現され、横モードについても狭ストライプ構造にすることで、端面発光型半導体レーザでは単一化できる。 Semiconductor light emitting devices such as semiconductor lasers and semiconductor light emitting diodes are widely used in optical communication fields, optical disc systems such as CD (Compact Disc) and DVD (Digital Versatile Disc), or barcode readers. When used in various application fields such as optical communications, the operation mode must be unified for the three modes of the “longitudinal mode”, “lateral mode”, and “polarization mode” that exist in semiconductor lasers. Is important. At present, the edge-emitting semiconductor laser mainly used in the field of optical communication has a stable polarization mode and does not fluctuate. This is because, in the case of an edge-emitting semiconductor laser, the resonator is composed of a waveguide, the reflectivity of the waveguide end face is larger for the TE (Transverse Electric) wave than for the TM (Transverse Magnetic) wave, and the electric field vector is the semiconductor substrate. Oscillates with a TE wave in a direction parallel to. The longitudinal mode can also be unified by adopting a distributed feedback structure or the like, and the lateral mode can also be unified in the edge emitting semiconductor laser by adopting a narrow stripe structure.
一方、面発光型半導体レーザの場合、共振器が非常に短いことから縦モードについては、単一でモード動作し、横モードについても、アルミニウム(Al)高濃度層の選択酸化やプロトン注入による電流狭窄構造により、活性領域の微小化等をはじめとする技術によって単一モード動作が可能となってきている。 On the other hand, in the case of a surface emitting semiconductor laser, since the resonator is very short, the longitudinal mode operates in a single mode, and in the transverse mode, the current due to selective oxidation of aluminum (Al) high-concentration layer or proton injection Due to the constriction structure, single mode operation has become possible by techniques such as miniaturization of the active region.
しかしながら、偏波モードについては、端面発光型半導体レーザに比べ、偏波方向の制御を図ることが難しい。これは、通常の面発光型半導体レーザの製作に用いられてきた(100)面基板の結晶構造やデバイス構造自体の対称性に基づくもので、直線偏波は得られるものの、活性層自体には直交偏波間の利得差はなく、特定の方位の偏波に対して反射鏡の反射率を高くする等の施策も困難なためである。このため、温度や駆動電流等の外部条件の微妙な変化により、簡単に偏波方向のスイッチングが生じやすく、レーザの偏波を直接利用する光磁気記録やコヒーレント通信等で大きな影響をもたらす。また、通常のデータ通信を行う際でも、偏波モードの不安定は、過剰雑音やモード競合の原因となり、エラーの増加や伝送帯域の制限といった問題を引き起こす。このため、偏波モードの制御(安定化)は、面発光型半導体レーザの実際の応用を図る上で、重要な課題の1つとなっている。 However, in the polarization mode, it is difficult to control the polarization direction as compared with the edge-emitting semiconductor laser. This is based on the symmetry of the crystal structure of the (100) plane substrate and the device structure itself that have been used in the manufacture of ordinary surface-emitting semiconductor lasers. This is because there is no gain difference between orthogonally polarized waves, and measures such as increasing the reflectivity of the reflecting mirror with respect to polarized waves in a specific direction are difficult. For this reason, due to subtle changes in external conditions such as temperature and driving current, switching in the polarization direction is easily caused, which has a great influence on magneto-optical recording or coherent communication using the laser polarization directly. Even when performing normal data communication, the instability of the polarization mode causes excessive noise and mode contention, causing problems such as an increase in errors and a limitation on the transmission band. For this reason, the control (stabilization) of the polarization mode is one of the important issues in the actual application of the surface emitting semiconductor laser.
偏波制御の重要性が指摘されて以来、この問題を解決するために、従来行われている手法を以下に紹介する。 In order to solve this problem since the importance of polarization control was pointed out, the following methods have been introduced.
(1)金属誘電体回折格子を半導体多層膜からなる反射鏡に組み込む構造
(2)デバイスのメサ形状に非対称性を取り入れた構造
(3)傾斜基板上に作製
(4)共振器の一部である柱状部の外側面に接触するように絶縁層を設けた構造
これら4種類の手法のうち、(1)の手法は、半導体多層膜からなる反射鏡の上に金属細線を一定方向に配列させ、特定の方位の偏光に対して、鏡の反射率を高くする方法である。金属配線に対して平行な偏光に対して鏡の反射率が高くなるため、偏波面を安定させるのに一定の効果はあるが、金属配線を光波長以下の幅に形成する必要があるため、製造が難しい。
(1) Structure in which a metal dielectric diffraction grating is incorporated in a reflector made of a semiconductor multilayer film (2) Structure in which asymmetry is incorporated in the mesa shape of the device (3) Fabrication on an inclined substrate (4) Part of the resonator A structure in which an insulating layer is provided so as to come into contact with the outer surface of a columnar portion. Among these four methods, the method (1) is a method in which fine metal wires are arranged in a fixed direction on a reflector made of a semiconductor multilayer film. This is a method for increasing the reflectance of a mirror with respect to polarized light in a specific direction. Since the reflectivity of the mirror is high for polarized light parallel to the metal wiring, there is a certain effect in stabilizing the polarization plane, but it is necessary to form the metal wiring with a width less than the light wavelength, Manufacturing is difficult.
また、(2)のデバイスのメサ形状に非対称性を取り入れる手法としては、例として特許文献1に開示されている。この特許文献1においては、メサ周辺部に応力付加領域を設置することにより、メサ中心の活性層に応力が非等方(異方)的に印加され、歪が異方的に発生する。このような歪みに伴って直交偏波間の利得差が生じ、特定方向の偏波のみが優位となり、偏波制御性が高まる。
In addition, as a method for incorporating asymmetry in the mesa shape of the device (2), it is disclosed in
また、同様に、非特許文献1においても、円柱状のメサ構造にT字型の突起形状を付加している。このことにより、T字細線部分の半導体多層膜からなる反射鏡のAl高濃度層(Al0.9Ga0.1As層)は、選択酸化プロセスにより全て酸化され、体積収縮することに伴い発生する強い応力が、メサ中心に位置する活性層に異方的な歪を与え、偏波制御性を高めている。
Similarly, also in
また、非特許文献2においては、ダンベル型のメサ構造とすることで、活性層への電流注入が非対称になることにより偏波制御が図られている。これらの応力(歪)付加領域や非対称メサ構造は、上記した(1)と同様に、デバイス加工が複雑化し、素子の生産性、再現性の面、偏波制御性が十分ではないという問題がある。
一方、(3)の傾斜基板を用いる手法は、ある方位の偏波に対して、利得を大きくするために(311)A面や(311)B面などの高指数方位結晶面上に活性層を形成し、利得が結晶方位に依存することを利用したものである。この手法では、強い直交偏波間の消光比が得られ、偏波モードの制御性は優れている。しかしながら、通常の(100)面を利用したものに比べ、良質の結晶成長は難しく、高出力が得られにくいなどの問題点がある。また、傾斜基板における選択酸化方式の面発光型半導体レーザ素子では、結晶面方位による酸化レートの違い(異方性酸化)により、酸化(発光領域)形状に歪みが生じ、ビーム形状の制御が困難である。
Further, in
On the other hand, in the method using the tilted substrate of (3), the active layer is formed on the high index orientation crystal plane such as the (311) A plane or the (311) B plane in order to increase the gain with respect to the polarization of a certain orientation. And the fact that the gain depends on the crystal orientation is used. In this method, a strong extinction ratio between orthogonal polarizations is obtained, and the controllability of the polarization mode is excellent. However, there are problems such as that it is difficult to grow a high-quality crystal and it is difficult to obtain a high output as compared with those using a normal (100) plane. In addition, in a selective oxidation surface emitting semiconductor laser element on an inclined substrate, the oxidation (light emitting region) shape is distorted due to the difference in oxidation rate (anisotropic oxidation) depending on the crystal plane orientation, making it difficult to control the beam shape. It is.
また、(4)の柱状部の外側面に接触するように絶縁層を設ける構造は、特許文献2に開示されているが、この特許文献2に記載の構造は、絶縁層の平面形状に起因した異方的な応力によってレーザ光の偏光方向の制御を行うものである。しかし、この特許文献2に記載した絶縁層の平面形状に起因した応力だけではレーザ光の偏光方向の制御は不十分である。
Moreover, although the structure which provides an insulating layer so that it may contact the outer surface of the columnar part of (4) is disclosed by
面発光型半導体レーザは、偏波モード制御の課題を除けば、端面発光型半導体レーザに比べ、しきい値が低い、消費電力が低い、発光効率が高い、高速変調が可能である、ビーム広がりが小さく光ファイバとの結合が容易である、端面へき開が不要で量産性に優れる等々多数の利点を有する。さらに、基板上に二次元的に多数のレーザ素子を集積化することが可能なため、高速光LAN(Local Area Network)、光インターコネクト等における光エレクトロニクス分野のキーデバイスとして大きな注目を集めている。従って、上述した現状の課題、偏波制御性を高め、且つ量産性に優れた面発光型半導体レーザ素子の開発が強く望まれている。
上述したように、面方位(100)面等の通常基板上に作製した面発光型半導体レーザ素子は、結晶構造の対称性により、活性層は直交偏波間の利得差がなく、偏波方向のスイッチングが容易に発生し、偏波モードを制御することが難しいという問題がある。 As described above, the surface emitting semiconductor laser device fabricated on a normal substrate such as the plane orientation (100) plane has a gain difference between orthogonal polarizations in the active layer due to the symmetry of the crystal structure. There is a problem that switching occurs easily and it is difficult to control the polarization mode.
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、面方位(100)面等の通常基板上に作製した場合においても、偏波モードの制御性や量産性が高い高性能な面発光型半導体素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and even when manufactured on a normal substrate such as a plane orientation (100) plane, the high-performance surface-emitting type that has high controllability and mass productivity of the polarization mode. An object is to provide a semiconductor device.
本発明の一態様による面発光型半導体素子は、基板と、前記基板上に形成された発光領域を有する半導体活性層と、前記半導体活性層を狭持し、前記基板に対して垂直方向の共振器を形成する、前記半導体活性層に対して前記基板と反対側に形成された第1半導体多層膜反射鏡及び前記半導体活性層に対して前記基板側に形成された第2半導体多層膜反射鏡と、前記半導体活性層に電流を注入するための一対の電極と、前記半導体活性層の近傍に形成され、Alを含む第1被酸化層を有し、前記第1被酸化層の側部が酸化され中央部が未酸化である電流狭窄部と、少なくとも前記第1被酸化層の最表面層まで到達する溝深さの第1凹部と、前記第1被酸化層を貫通する第2凹部と、前記第1および第2凹部に囲まれたメサ部と、前記第1および第2凹部のうちの少なくとも前記第2凹部に埋め込まれた絶縁膜と、
を備え、前記電流狭窄部の前記第1被酸化層は、前記第1凹部が設けられた方向と、前記第2の凹部が設けられた方向とで酸化された領域の大きさが異なることを特徴とする。
A surface-emitting type semiconductor device according to an aspect of the present invention includes a substrate, a semiconductor active layer having a light emitting region formed on the substrate, and the semiconductor active layer sandwiched between the substrate and a vertical resonance with respect to the substrate. A first semiconductor multilayer reflector formed on the opposite side of the substrate with respect to the semiconductor active layer and a second semiconductor multilayer reflector formed on the substrate side with respect to the semiconductor active layer. And a pair of electrodes for injecting current into the semiconductor active layer, and a first oxidizable layer containing Al formed in the vicinity of the semiconductor active layer, and a side portion of the first oxidizable layer is A current confinement portion that is oxidized and unoxidized at the center, a first recess having a groove depth that reaches at least the outermost surface layer of the first oxidizable layer, and a second recess that penetrates the first oxidizable layer; A mesa portion surrounded by the first and second recesses; An insulating film embedded in at least the second recess of the second recess,
The first oxidized layer of the current confinement portion is different in size of the oxidized region in the direction in which the first recess is provided and in the direction in which the second recess is provided. Features.
なお、前記第1凹部にも前記絶縁膜が埋め込まれていてもよい。 The insulating film may also be embedded in the first recess.
なお、前記第1被酸化層は、前記半導体活性層に対して前記基板側に形成されていてもよい。 The first oxidizable layer may be formed on the substrate side with respect to the semiconductor active layer.
なお、前記第1被酸化層は、前記半導体活性層に対して前記基板と反対側に形成されていてもよい。 The first oxidizable layer may be formed on the side opposite to the substrate with respect to the semiconductor active layer.
なお、前記電流狭窄部は、前記半導体活性層に対して前記基板側に形成され、Alを含む第2被酸化層を備えていてもよい。
なお、前記第2被酸化層は中央部が未酸化で側部が酸化されていてもよい。
The current confinement portion may be formed on the substrate side with respect to the semiconductor active layer, and may include a second oxidized layer containing Al.
The second oxidized layer may be unoxidized at the center and oxidized at the side.
なお、前記メサ部は、前記第1半導体多層膜反射鏡にプロトン注入領域を備えていてもよい。 The mesa portion may include a proton injection region in the first semiconductor multilayer mirror.
なお、前記絶縁膜は、前記基板、前記第1および第2半導体多層膜反射鏡、並びに前記半導体活性層よりも熱膨張率が大きい材料からなっていることが好ましい。 In addition, it is preferable that the said insulating film consists of a material with a larger thermal expansion coefficient than the said board | substrate, the said 1st and 2nd semiconductor multilayer film reflective mirror, and the said semiconductor active layer.
なお、前記絶縁膜は、ポリイミド系樹脂からなっていてもよい。 The insulating film may be made of a polyimide resin.
なお、前記半導体活性層は、Gaと、Inと、AsまたはNの一方とを少なくとも含む半導体からなっていてもよい。 The semiconductor active layer may be made of a semiconductor containing at least Ga, In, and one of As or N.
なお、本願明細書において、「被酸化層」とは、酸化される層を意味するが、酸化される前の状態も、酸化された後の状態も含むものとする。 In the present specification, the “oxidized layer” means a layer to be oxidized, and includes a state before being oxidized and a state after being oxidized.
本発明によれば、面方位(100)面等の通常基板上に作製した場合においても、偏波モードの制御性や量産性が高い高性能な面発光型半導体素子を得ることができる。 According to the present invention, a high-performance surface-emitting semiconductor element having high controllability and mass productivity of a polarization mode can be obtained even when manufactured on a normal substrate such as a plane orientation (100) plane.
以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(第1実施形態)
図1乃至図9は、本発明の第1実施形態による面発光型半導体素子の構造を示す模式図である。図1はその上面図、図2は図1に示す切断線A−A’で切断したときの断面図、図3は、図1に示す切断線B−B’で切断したときの断面図である。図4は本実施形態の面発光型半導体素子をある高さ26で切断したときの上層被酸化層32の酸化領域32aの形状を示す図、図5は図4に示す切断線A−A’で切断したときの断面図、図6は図4に示す切断線B−B’で切断したときの断面図である。また、図7は本実施形態の面発光型半導体素子を他の高さ27で切断したときの下層被酸化層30の酸化領域の形状を示す図、図8は図7に示す切断線A−A’で切断したときの断面図、図9は図7に示す切断線B−B’で切断したときの断面図である。
(First embodiment)
1 to 9 are schematic views showing the structure of a surface-emitting type semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. 1 is a top view thereof, FIG. 2 is a sectional view taken along the cutting line AA ′ shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a sectional view taken along the cutting line BB ′ shown in FIG. is there. FIG. 4 is a diagram showing the shape of the oxidized
本実施形態の面発光型半導体素子は、面発光型半導体レーザ素子である。この面発光型半導体レーザ素子は、面方位(100)面の通常基板1上に、発光領域13を有する半導体活性層4と、半導体活性層4の上側に形成された第1の半導体多層膜反射鏡6と、半導体活性層4の下側に形成された第2の半導体多層膜反射鏡2とを備えている。半導体多層膜反射鏡2および半導体多層膜反射鏡6は、基板1の主面に対して垂直方向の共振器を形成している。また、半導体活性層4とこれらの反射鏡2、6との間には、半導体クラッド層3、5がそれぞれ設けられている。
The surface emitting semiconductor element of this embodiment is a surface emitting semiconductor laser element. This surface-emitting type semiconductor laser device includes a semiconductor
半導体多層膜反射鏡6、2とクラッド層5、3との間には、それぞれ、アルミニウム(Al)を高濃度に含む上層被酸化層32および下層被酸化層30が設けられている。なお、後述するように、半導体多層膜反射鏡6,2もAlを高濃度に含むAl高濃度層6aを有している。半導体多層膜反射鏡6,2および被酸化層32、30は、メサ部100の側壁から発光領域13に向かって横方向に選択酸化されることによって形成された酸化領域6b、2bおよび酸化領域32a、30aをそれぞれ有する。これら酸化領域32a、30aによって、電流狭窄部が形成されている。電極9および電極10を介して注入された電流19は、この電流狭窄部によって、発光領域13に絞り込まれる。
Between the semiconductor multilayer
第1の半導体多層膜反射鏡6上には、コンタクト層7が形成され、これらを介して、発光領域13に電流を注入するためのコンタクト電極9が形成されている。コンタクト電極9は、発光領域13上を開口するように形成されている。
A
基板1の裏面には、電極10が形成され、第2の半導体多層膜反射鏡2を介して、発光領域13に電流を注入される。
An
図1におけるA−A’線の方向には、図2に示すように、メサ部100の外側にエッチング領域(凹部)12aが設けられ、エッチング領域12aは、フィラー膜200によって埋め込まれている。エッチング領域12aの深さは、第1の半導体多層膜反射鏡6、上層被酸化層32、およびクラッド層5の側面が露出し、活性層4の表面が露出するように調節されている。なお、エッチング領域12aの深さは少なくとも上層酸化層32の上表面まで到達するように形成されていればよい。一方、図1におけるB−B’線の方向には、図3に示すように、メサ部100の外側にエッチング領域(凹部)12bが設けられている。エッチング領域12bは少なくとも下層被酸化層30を貫通するように形成されていればよい。このエッチング領域12bは、フィラー膜200によって埋め込まれている。エッチング領域12bの深さは、第1の半導体多層膜反射鏡6、上層被酸化層32、クラッド層5、活性層4、クラッド層3、および下層被酸化層30の側面が露出するとともに、第2の半導体多層膜反射鏡2の全層ではなく一部分の層の側面が露出するように調節されている。そして、後で、詳述するように、本実施形態においては、A−A’線方向と、B−B’線方向とで、酸化領域32a、30aの層数を変えるとともに、酸化領域の形状を非対称にし、かつ深さが異なる凹部12a、12bにフィラー膜200を埋め込むことによって、活性層4に非等方的な応力を印加し、高い偏波制御性を実現している。
In the direction of the A-A ′ line in FIG. 1, as shown in FIG. 2, an etching region (concave portion) 12 a is provided outside the
また、これらのエッチング領域12a、12bの外側に設けられた周辺部50も、メサ部100と同様の積層構造を有する。周辺部50上には周辺電極9bが形成されている。そして、メサ部100の表面と周辺部50の表面とは、ほぼ同じ高さに形成されている。
Further, the
周辺部50上には、周辺電極9bが形成されている。そしてコンタクト電極9と周辺電極9bとは、配線パス18によって接続され、周辺電極9bとボンディングパッド17とは配線部9aによって接続されている。なお、配線部9aの一部は、フィラー膜200上に形成されている。また、コンタクト層7の上には、例えばシリコン窒化膜などからなる保護膜8が適宜設けられている。
On the
このような面発光型半導体レーザは、矢印19に示すようにコンタクト電極9から半導体多層膜反射鏡6を介して活性層4に電流を注入することで、発光させることができる。
Such a surface emitting semiconductor laser can emit light by injecting current from the
この面発光型半導体レーザは、コンタクト電極9と周辺電極9bとこれらを結ぶ配線パス18とがほぼ同一レベル(高さ)に形成されていて、平坦化処理を必要としない構造となっている。このため、配線の「段切れ」を防ぐことができるという利点を有する。
This surface emitting semiconductor laser has a structure in which the
そして、前述したように、本実施形態においては、酸化領域の層数が、A−A’線方向とB−B’線方向とで異なる。すなわち、図1乃至図3に示すように、A−A’線方向においては、第1の半導体多層膜反射鏡6と上層被酸化層32のみに酸化領域6b、32aが形成され、一方、B−B’線方向においては、第1の半導体多層膜反射鏡6と、上層被酸化層32と、下層被酸化層30と、第2の半導体多層膜反射鏡2の一部の層とに、それぞれ酸化領域6b、32a、30a、2bが形成されている。つまり、酸化領域の層数が、A−A’線方向とB−B’線方向とで異なる。
As described above, in this embodiment, the number of oxidized regions differs between the A-A ′ line direction and the B-B ′ line direction. That is, as shown in FIGS. 1 to 3, in the direction of the line AA ′,
また、本実施形態の面発光型半導体レーザ素子は、図4乃至図6に示すように、電流狭窄部を形成するための酸化領域として、B−B’線方向には上層被酸化層32、下層被酸化層30の酸化領域32a、30a、A−A’線方向には、上層被酸化層32のみの酸化領域32aが非対称に形成されている。
Further, as shown in FIGS. 4 to 6, the surface-emitting type semiconductor laser device of this embodiment has an upper
選択酸化方式の面発光レーザの作製する際に、AlAs(アルミニウムヒ素)またはAlを高濃度に含む被酸化層であるAlGaAs(アルミニウムガリウムヒ素)層(III族元素に占めるAlの組成比は、95%以上であることが望ましい)を水蒸気酸化すると、メサ部100の側壁から被酸化層32、30あるいは被酸化層32のみが酸化され、電流狭窄部が形成される。これに伴って、被酸化層32、30の酸化に伴う体積収縮により発生する圧縮応力は、メサ部100の中心部の半導体活性層4に対して、B−B’線方向には大きく作用し、A−A’線方向には小さく作用する。つまり、活性層4に対して、非等方的に歪みが印加される。酸化層Alx(Ga)Oyが形成されると、もとのAl(Ga)As層に比べ体積収縮(10%〜13%程度)が生じるため、酸化後、活性層4やメサ構造の中心部に対して、ギガパスカル(GPa)オーダの大きな圧縮応力が印加される。
When a surface-emitting laser of a selective oxidation system is manufactured, AlAs (aluminum arsenic) or an AlGaAs (aluminum gallium arsenide) layer that is an oxidized layer containing Al at a high concentration (the composition ratio of Al in the group III element is 95). % Is preferable, the
さらに、本実施形態においては、エッチング領域12a、12bに埋め込むフィラー膜200の材料に例えばポリイミド系樹脂等を用いることにより、メサ部100の中心に位置する半導体活性層4の中心部へ印加される圧縮応力の非対称性を高めることができる。
Furthermore, in the present embodiment, the material of the
被酸化層32、30の材料としてAlAsを用いた場合、酸化に伴う体積収縮は、12%〜13%であるので、被酸化層1層当たり1GPa〜10GPaの圧縮応力F1が発生する。このため、A−A’線方向では上層のみであるのでF1の圧縮応力が発生し、B−B’線方向では上下層で2×F1以上の圧縮応力が発生するので、活性層4に印加される圧縮応力は方向により異なる。
When AlAs is used as the material of the
また、電流狭搾を効果的に行うには、電流ブロック層となる被酸化層32、30には、ある程度の厚さが必要であるが、層の厚さが大きい、または層数が多いほど、印加される歪は大きくなる。加えて、その歪は酸化領域の先端に集中し、且つ、被酸化層32、30は、活性層4から0.2μm程度の至近距離に設けられるため、活性層4の最も電流の集中する領域に影響を与える。本実施形態では、活性層4への応力印加の非対称性が大きくなり、偏波制御性を高めるのに従来よりも効果が大きい。また、凹部への埋め込み材料にポリイミド系樹脂を用いた場合、
ポリイミドからなるフィラー膜200とGaAs基板1間で発生する熱応力σTは、下式で表される。
Further, in order to effectively perform current squeezing, the
The thermal stress σ T generated between the
σT = EF(αF−αS)ΔT
ここでαFはポリイミドの熱膨張係数、αSはGaAs基板1の熱膨張係数、EFはポリイミドからなるフィラー膜200の弾性率、ΔTは温度差(TF−T)、TFはポリイミドのガラス転移温度、Tは測定温度を表す。
σ T = E F (α F -α S) ΔT
Here alpha F is the thermal expansion coefficient of the polyimide, alpha S is the thermal expansion coefficient of the
ガラス転移温度TFを300℃、動作温度Tを20℃とすると、ΔT=280Kとなり、このとき、ポリイミドからなるフィラー200(EF=3GPa、αF=7×10−5/K)と、GaAs基板1(αF=6.0×10−6/K)では、σT=54MPaの圧縮応力が発生することになる。これより、凹部12a、12bに埋め込まれたフィラー膜200の体積が場所により異なることから、圧縮応力は、酸化による応力と同様に非対称性に印加されることになる。
When the glass transition temperature TF is 300 ° C. and the operating temperature T is 20 ° C., ΔT = 280K, and at this time, a
また、本実施形態においては、凹部12a、12bの深さが異なっている、すなわちA−A’線方向と、B−B’線方向では、フィラー膜200の深さが異なっている。このため、本実施形態においては、平面形状が方向により異なるが深さが同じ絶縁層を有している特許文献2の場合に比べて、活性層4への応力印加の非対称性がさらに大きくなり、偏波制御性を更に高めることができる。
In this embodiment, the depths of the
また、特許文献1に示すような従来の偏波制御を図る素子構造は、メサの周辺部に応力(歪)付加領域を持つ構造である。これに対して、本実施形態では、応力(歪)作用領域が、メサ部100の中心にあり、且つ半導体活性層4に対して最近接構造となっている。半導体活性層へ印加される応力は、応力(歪)付加領域と活性層との距離に反比例して減少する。このため、活性層の最近接に位置する本実施形態の構造において、従来の場合よりも偏波制御性が高くなる。
Further, the conventional element structure for controlling polarization as shown in
また、基板上に成長した各層に膜応力が存在する場合、メサ部100を形成するためのエッチング領域12a、12bが、A−A’、B−B’の方向によって凹部のエッチング体積が異なることより、基板面に対して水平方向に圧縮応力あるいは引張応力が非対称に半導体活性層4に印加され、さらに偏波制御性が高まる。
Further, when there is a film stress in each layer grown on the substrate, the
また、通常基板上の面発光型半導体レーザ素子では、選択酸化において、傾斜基板では顕著となる異方性酸化による電流狭窄部の形状の歪化を抑制することも可能となる。 In the surface-emitting type semiconductor laser device on the normal substrate, it is also possible to suppress the distortion of the shape of the current confinement portion due to the anisotropic oxidation that becomes remarkable in the inclined substrate in the selective oxidation.
以上説明したように、本実施形態によれば、偏波制御性が高まり、高性能な面発光型半導体レーザ素子を得ることができる。 As described above, according to this embodiment, the polarization controllability is improved and a high-performance surface emitting semiconductor laser element can be obtained.
なお、比較のために、図42乃至図47に示す構造を有する比較例の面発光型半導体レーザ素子を製作した。図42は比較例の上面図、図43は図42に示す切断線A−A’で切断したときの断面図、図44は図42に示す切断線B−B’で切断したときの断面図、図45は比較例の面発光型半導体素子をある高さ26で切断したときの上層被酸化層32の酸化領域32aの形状を示す図、図46は図45に示す切断線A−A’で切断したときの断面図、図47は図45に示す切断線B−B’で切断したときの断面図である。
For comparison, a comparative surface emitting semiconductor laser element having the structure shown in FIGS. 42 to 47 was manufactured. 42 is a top view of the comparative example, FIG. 43 is a cross-sectional view taken along the cutting line AA ′ shown in FIG. 42, and FIG. 44 is a cross-sectional view taken along the cutting line BB ′ shown in FIG. 45 is a diagram showing the shape of the oxidized
この比較例の面発光型半導体レーザ素子は、図42乃至図47に示すように、第1実施形態の面発光型半導体レーザ素子において、下層被酸化層30を削除するとともにエッチング領域(凹部)12a、12bの断面のサイズ(大きさおよび深さ)を同じにし、かつ上層被酸化層32の酸化領域32aの形状を方向によらず対称、すなわち同心円形状とした構成となっている。
As shown in FIGS. 42 to 47, the surface-emitting type semiconductor laser device of this comparative example is the same as the surface-emitting type semiconductor laser device of the first embodiment except that the lower oxidized
このように、比較例においては、被酸化層32の酸化領域32aの形状は対称である。このため、被酸化層32の酸化に伴う体積収縮により発生する圧縮応力は、メサ部100の中心である活性層4の中心部に対して対称に印加されるので、偏波制御を行うことができない。
Thus, in the comparative example, the shape of the oxidized
(実施例)
次に、第1実施形態による面発光型半導体レーザの製造方法を実施例として、具体的に説明する。
(Example)
Next, the method for manufacturing the surface-emitting type semiconductor laser according to the first embodiment will be specifically described as an example.
先ず、洗浄された厚さ400μmの3インチ、面方位(100)面のn型GaAs基板1上に、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)装置を用いてn型の半導体多層膜反射鏡2a、電流狭窄部を形成する被酸化層30a、クラッド層3、半導体活性層4、クラッド層5、電流狭窄部を形成する被酸化層32a、p型の半導体多層膜反射鏡6、コンタクト層7を順次成長した。
First, an n-type semiconductor
ここで、半導体活性層4とクラッド層3及び5とよりなる共振器の上下に半導体多層膜反射鏡2及び6を配置したものを基本構造と考え、1.3μm帯のGaInAsN面発光型半導体レーザとして最適の性能が得られるように設計及び製作を行った。
Here, a structure in which the
半導体多層膜反射鏡2は、波長1.3μmの光学波長1/4の厚さでn型GaAs層(高屈折率層)とn型AlyGa1−yAs(0<y<1)(低屈折率層)が交互に積層された構造とした。本実施例では、Al組成、y=0.94のAl0.94Ga0.06As層を低屈折率層に用いた。また、半導体多層膜反射鏡2のn型ドーパントとして、Siを用い、ドーパント濃度は、2×1018/cm3とした。下部クラッド層3はn型GaInPとした。
The
半導体活性層4は発光ピーク波長が1.3μmとなるように調整したGaxIn1−xAsyN1−y(0≦x≦1、0≦y<1)層と、バリヤ層としてGaAs層を交互に積層した量子井戸構造とした。ここでは、GaxIn1−xAsyN1−y(0≦x≦1、0≦y<1)層を中心とし、その上下にGaAs層を積層した3層構造とした。量子井戸層であるGaxIn1−xAsyN1−y(0≦x≦1、0≦y<1)層のIn組成は30%〜35%、窒素組成は0.5%〜1.0%とし、厚さは7nmとした。
The semiconductor
このGaxIn1−xAsyN1−y(0≦x≦1、0≦y<1)層の格子定数は、n型GaAs基板1よりも大きくなるように組成を制御し、圧縮歪量約2.5%を内在する組成Ga0.66In0.34As0.99N0.01とした。このとき、微分利得係数は増大し、無歪の場合に比較して、しきい電流値が一層低減された。
The lattice constant of the Ga x In 1-x As y N 1-y (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y <1) layer is controlled so as to be larger than that of the n-
上部クラッド層5はp型GaInPとした。半導体多層膜反射鏡6は、波長1.3μmの光学波長1/4の厚さでp型GaAs層(高屈折率層)とp型AlyGa1−yAs(0<y<1)(低屈折率層)が交互に積層された構造とした。n型半導体多層膜反射鏡2と同様に、本実施例では、Al組成、y=0.94のAl0.94Ga0.06As層を低屈折率層に用いた。また、半導体多層膜反射鏡6のp型ドーパントとして、C(炭素)を用い、ドーパント濃度は、2×1018/cm3(量子井戸層4付近)〜1×1019/cm3(コンタクト層7付近)とした。
The
上層被酸化層6aおよび下層被酸化層2aは、クラッド層5上およびクラッド層3下にそれぞれ形成され、上下の半導体多層膜反射鏡6、2を構成するAlGaAsよりAl組成比の大きいAlxGa1−xAs(x≧0.98)を用いる。本実施例においては、被酸化層として、上下層ともにAlAs層を用いた。コンタクト層7はp型GaAsとし、p型ドーパントとして、C(炭素)を用い、ドーパント濃度は、2×1019/cm3とした。
The upper
次に、パターン形成用のエッチングマスクを兼用する保護膜8として、Si3N4膜を形成した。原料ガス、SiH4、NH3、N2の圧力、流量を調整することで膜応力を制御し、150MPaの引張応力を有する膜として形成した。膜の引張応力の値は、水蒸気酸化プロセスにおいてエッチングマスク8とGaAs基板1との間で発生する熱応力(thermal stress)σTを考慮して決定した。水蒸気酸化プロセス温度を400℃に設定した場合、Si3N4膜(EF=160GPa、αF=2.7×10−7/K)と基板のGaAs(αS=6.0×10−6/K)との間では、σT=−150MPaの圧縮応力が発生する。この圧縮応力を緩和するために引張応力を有する膜を形成し、熱耐性を高めている。
Next, an Si 3 N 4 film was formed as a
次に、フォトリソグラフィとエッチング工程によりエッチングを行い、メサ部100を作製した。メサパターンは、ICP(Inductively Coupled Plasma)プラズマドライエッチング装置により、三塩化ボロン・窒素混合ガスによるエッチング処理を行った。このとき、図1乃至図3に示すようにメサ形成用のエッチング領域の開口部の大きさをA−A’線、B−B’線方向(12a、12b)で変え、開口部の面積によりエッチング速度が変化する通称「マイクロローディング効果」を利用し、開口面積の異なる凹部のエッチング深さが、それぞれ異なるメサ構造を作製した。
Next, etching was performed by photolithography and an etching process, and the
また、ガス圧力、アンテナ出力、バイアス出力、基板温度を調整することで、メサ部100の作製を行い、メサ部100の側壁において、A−A’線方向のエッチング領域12aでは、被酸化層は、上層被酸化層32のみが露出し、B−B’線線方向のエッチング領域12bでは、被酸化層の上層および下層32、30が露出している。ここでは、メサ部形成用のエッチング領域は、A−A’線、B−B’線の方向において、開口面積は、1:3、エッチング深さは1:2となっており、エッチング体積として、1:6となった。本実施例のように、基板に対して歪みの大きなGaxIn1−xAsyN1−yからなる量子井戸層等の結晶成長を行うと、各層は大きな膜応力を持つ。従って、メサ部100の形成の際に形成されるエッチング領域12aと12bのエッチング体積が異なることより、基板面に対して水平方向に圧縮応力あるいは引張応力が非対称に半導体活性層4に印加されることになり、偏波制御性をさらに高めることに寄与する。ここでは、開口部(電流狭窄部)を直径5μmの形状とする面発光型半導体レーザの作製を行うため、メサ部100の直径が45μmの垂直形状エッチングを行った。
Further, the
次に、選択酸化工程、水蒸気雰囲気中で400℃の熱処理を行い、上層被酸化層32および下層被酸化層30をそれぞれ横方向に20μmの長さに渡って選択酸化して酸化領域32a、30aを形成し、直径が約5μmの発光領域13を形成した。
Next, a heat treatment at 400 ° C. is performed in a selective oxidation step and in a steam atmosphere, and the upper and lower
このとき、メサ部100の側壁から発光領域13に向かって横方向に被酸化層32、30が選択酸化され、被酸化層AlAs層32、30は、Al2O3層になるに伴い、体積収縮し、被酸化層1層当たり1GPa〜10GPaの圧縮応力F1が発生し、メサ部中心の活性層4に印加される。このとき、A−A’線方向は上層32のみであるのでF1であり、B−B’線方向は上層32と下層30であるので2×F1となる。つまり、活性層4に印加される圧縮応力は、方向により大きく異なるため、活性層4に直線偏波間の利得差が発生し、偏波制御性が高くなると考えられる。
At this time, the
次に、メサ部100を取り囲む凹部12a、12bのフィラー膜材料による埋め込み処理を行った。ここでは、感光性のポリイミド樹脂をフィラー膜材料として用いた。スピンコータ装置により、市販の感光性ポリイミド樹脂CRC−8300(住友ベークライト社製)を回転数2000rpm、30秒の条件で回転塗布した。その後、ホットプレートを用いてベーク処理を行い、膜厚6μmの感光膜を形成した。次に、マスクアライナー露光装置を用いて、凹部12a、12bのみにポリイミド樹脂が埋め込まれるパターン描画(400mJ/cm2)を行った。描画後、TMAH(テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド(Tetra-methyl ammonium hydroxide))2.38%水溶液を用いて現像処理を行った。その後、窒素雰囲気中において150℃で30分、320℃で30分の熱硬化処理を行い、フィラー膜200を形成した。その後、埋め込み部と周辺部との表面を平坦化、蒸着する金属(電極材料)との密着性を高めるため、アンテナ出力500Wの酸素プラズマ処理(ガス圧力:0.7Pa、流量:100sccm)を5分行った。
Next, the embedding process with the filler film material of the
引き続き、p型半導体多層膜反射鏡6上のエッチングマスク膜8を除去し、p型GaAsコンタクト層7上にp側電極9を形成する。このときボンディングパッド17とp側電極9とをつなぐ配線18、9aを同時に形成し、シンター処理を行った。その後、基板研磨後を行い、電極9および配線18の膜厚を100μmとする。最後に、基板裏面にn側電極10を形成した。
Subsequently, the
このようにして作製された面発光型半導体レーザにおいて、波長1.3μmで活性層4の圧縮歪導入の効果により低しきい電流密度(1kA/cm2)での室温連続発振し、高温でのレーザ諸特性も良好であった。また、偏波制御が可能になり、偏波の変動やスイッチングが発生しなくなった。これに伴って、ノイズも低下し、光ディスクヘッド、通信用素子として利用することが可能になった。
In the surface-emitting type semiconductor laser fabricated in this manner, continuous oscillation at room temperature with a low threshold current density (1 kA / cm 2 ) was achieved at a wavelength of 1.3 μm due to the effect of introducing compressive strain in the
また、傾斜基板における異方性酸化により生じる非酸化領域の歪化、出射ビームパターンの形状が改善され、所望のビームパターン形状が得られた。この結果、横モードの安定化も図れた。すなわち、比較のため、偏波制御性を高めるのに有効とされる(100)面方位基板から任意の角度、ここでは10°オフ傾斜させた傾斜基板1を用いて作製した場合、異方性酸化による形状の歪みは顕著であり、本実施例と同じ円形のメサ構造では、図40(b)に示すように開口部(発光領域13)の形状はオフしている方向に歪んだ形になり、縦と横で1.1μmの寸法差を生じた。これに対して、面方位(100)面の基板を用いた場合は、図40(a)に示すように、対称な発光領域13が得られ、縦と横の寸法差は、0.1μmに低減されることが確認できた。また、面内全域にわたる再現性も良好であり、同一ウェーハ上に形成した多数の素子の寸法および形状は均一化され、単一モード発振、しきい値、光出力等のレーザ特性も均一化され、高性能な面発光半導体レーザ素子の量産性が向上した。
In addition, the distortion of the non-oxidized region caused by anisotropic oxidation on the inclined substrate and the shape of the outgoing beam pattern were improved, and a desired beam pattern shape was obtained. As a result, the transverse mode was stabilized. That is, for the purpose of comparison, when manufactured using the tilted
(第1変形例)
次に、第1実施形態の第1変形例による面発光型半導体レーザ素子を図10乃至図12を参照して説明する。図10は本変形例の面発光型半導体レーザ素子を、ある高さ26で切断したときの上層被酸化層32の酸化領域32aの形状を示す図、図11は図10に示す切断線A−A’で切断したときの断面図、図12は図10に示す切断線B−B’で切断したときの断面図である。
(First modification)
Next, a surface-emitting type semiconductor laser device according to a first modification of the first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 10 is a diagram showing the shape of the oxidized
この第1変形例の面発光型半導体レーザ素子は、第1実施形態の面発光型半導体レーザ素子において、下層被酸化層30を削除するとともにエッチング領域(凹部)12a、12bのサイズ(大きさおよび深さ)を変え、そこに埋め込まれるフィラー膜200の体積を変えた構成となっている。
The surface-emitting type semiconductor laser device according to the first modification is the same as the surface-emitting type semiconductor laser device according to the first embodiment except that the
A−A’線、B−B’線方向のエッチング領域12a、12bは、開口面積1:4、エッチング深さ2:3となっており、エッチング容積として、1:6とした。このとき本変形例の構造においては、電流狭窄部を形成するための被酸化領域として、A−A’線方向、B−B’線方向、何れも上層32aのみで被酸化層は対称性を持つ形状であるが、凹部の開口面積および深さがA−A’線方向の凹部12aと、B−B’線方向の凹部12bで大きく異なる。このため、フィラー膜200の材料としてポリイミド樹脂を用いることで、活性層4に印加される圧縮応力は方向および層の上下で大きく異なり、半導体活性層4に直線偏波間の利得差が発生し、偏波制御性が高くなった。また、フィラー膜200の体積が異なることより、基板面に対して水平方向に圧縮応力が非対称に半導体活性層4に印加されることになり、偏波制御性をさらに高めることに寄与していると考えられる。
この変形例によれば、偏波モードの制御性が高く、性能が高い面発光型半導体レーザ素子を得ることができる。 According to this modification, it is possible to obtain a surface emitting semiconductor laser device having high controllability of the polarization mode and high performance.
(第2変形例)
次に、第1実施形態の第2変形例による面発光型半導体レーザ素子を図13乃至図15を参照して説明する。図13は本変形例による面発光型レーザ素子をある高さ26で切断したときの上層酸化層32の酸化領域の形状を示す図、図14は図13に示す切断線A−A’で切断したときの断面図、図15は図13に示す切断線B−B’で切断したときの断面図である。
(Second modification)
Next, a surface-emitting type semiconductor laser device according to a second modification of the first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 13 is a diagram showing the shape of the oxidized region of the
この変形例の面発光型レーザ素子は、第1実施形態の面発光型レーザ素子において、下層酸化層30を削除するとともにエッチング領域(凹部)12a、12bの深さを同じにし、かつ凹部12bにはフィラー膜200を埋め込むが、凹部12aに埋め込まない構成となっている。
The surface emitting laser element of this modification is the same as the surface emitting laser element of the first embodiment except that the
本変形例のように、フィラー膜200の有無により活性層4に印加される応力差は、A−A’線方向、B−B’線方向により大きく異なる構造になるため、半導体活性層4に直線偏波間の利得差が発生する。これにより、本変形例によれば偏波制御性が高まる。
As in the present modification, the stress difference applied to the
なお、図1乃至図9に示す第1実施形態の面発光型レーザ素子において、凹部12aにフィラー膜200を埋め込まない構造として、同様に偏波制御性を高めることができることは明らかである。
In the surface-emitting type laser device of the first embodiment shown in FIGS. 1 to 9, it is obvious that the polarization controllability can be similarly improved by using a structure in which the
第1実施形態の実施例では、活性層4として、GaxIn1−xAsyN1−y(0≦x≦1、0≦y<1)を用いて説明したが、それに限らず、InGaAlP系、AlGaAs系やInGaAsP系など、様々な材料を用いることもできる。
In the example of the first embodiment, the
クラッド層4及び5、半導体多層膜反射鏡2及び6も、様々な材料を用いることもできる。例えば、半導体多層膜反射鏡2及び6としては、AlGaAs層とGaAs層の積層構造に限らず、Alを含まない屈折率の大きい材料と小さい材料の積層構造も可能である。また、GaInP/GaAs、GaInPAs/GaAs、GaInP/GaInAs、GaInP/GaPAs、GaInP/GaInAs、GaP/GaInAsN等の組合せを用いることができる。
Various materials can also be used for the cladding layers 4 and 5 and the
また、成長方法については、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法等を用いることもできる。また、上述の例では、積層構造として3重量子井戸構造の例を示したが、他の量子井戸を用いた構造等を用いることもできる。 As the growth method, MBE (Molecular Beam Epitaxy) method or the like can also be used. In the above example, the example of the triple quantum well structure is shown as the stacked structure, but a structure using other quantum wells or the like can also be used.
また、所望の開口部(発光領域13)の形状として、本実施例では、主に円形であるとして説明したが、正方形、長方形、楕円などの形状であっても、同様の効果を得ることができることはいうまでもない。 Further, in the present embodiment, the shape of the desired opening (light emitting region 13) has been described as being mainly circular. However, the same effect can be obtained even when the shape is a square, a rectangle, an ellipse, or the like. Needless to say, it can be done.
また、本実施例では、電流狭窄部形成用の被酸化層6a、2aとして、AlAs層を用いたが、Al組成比の高いAlxGa1−xAs(x≧0.95)を用いても同様の効果が得られることは明らかである。Al組成比が高い場合、水蒸気酸化工程において、酸化速度が速く、工程時間を短縮でき、また酸化に伴う応力、歪の発生量も大きいので、素子の量産性、偏波制御性を高める上で好適である。
In this embodiment, AlAs layers are used as the
また、上下の被酸化層32、30が、それぞれ1層である場合を説明したが、複数層である場合も同様な効果を得ることができる。例えば、被酸化層の上層を1層、下層を2層とすると、本実施例よりも半導体活性層4に印加される圧縮応力の非対称性は、更に顕著になるため、偏波制御性を更に高めることができる。
Moreover, although the case where the upper and lower
またフィラー膜200の材料として、本実施例では、ポリイミド樹脂を用いたが、基板1、半導体多層膜反射鏡6,2、被酸化層32、30、および半導体活性層4といった半導体材料と熱膨張係数が大きく異なる他高分子材料、エポキシ樹脂などの材料を用いても同様の効果が得られることは明らかである。なお、フィラー膜200の材料としては、ポリイミド系樹脂の他に、例えばアクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリシランを用いることができる。
In this embodiment, polyimide resin is used as the material of the
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態による面発光型半導体レーザの構成を図16乃至図24を参照して説明する。図16はその上面図、図17は図16に示す切断線A−A’で切断したときの断面図、図18は、図16に示す切断線B−B’で切断したときの断面図である。図19は本実施形態の面発光型半導体素子をある高さ26で切断したときの半導体多層膜反射鏡6の酸化領域6bの形状、および高さ27で切断したときの上層被酸化層32の酸化領域32aの形状をそれぞれ重ねて示した図、図20は図19に示す切断線A−A’で切断したときの断面図、図21は図19に示す切断線B−B’で切断したときの断面図である。また、図22は本実施形態の面発光型半導体素子を高さ27で切断したときの上層被酸化層32の酸化領域32aの形状、および高さ28で切断したときの半導体多層膜反射鏡2の酸化領域2bの形状を重ねて示した図、図23は図22に示す切断線A−A’で切断したときの断面図、図24は図22に示す切断線B−B’で切断したときの断面図である。
(Second Embodiment)
Next, the configuration of a surface-emitting type semiconductor laser according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 16 is a top view thereof, FIG. 17 is a sectional view taken along the cutting line AA ′ shown in FIG. 16, and FIG. 18 is a sectional view taken along the cutting line BB ′ shown in FIG. is there. FIG. 19 shows the shape of the oxidized
本実施形態の面発光型半導体レーザ素子は、図1乃至図9に示す第1実施形態の面発光型半導体レーザ素子において、下層被酸化層30を削除するとともに、図19および図22に示すように半導体多層膜の酸化領域6b、2bの形状が非対称であって、メサ部100の側壁の場所により、半導体多層膜反射鏡の酸化されるAl高濃度層2a、6aの層数が異なる構造となっている。半導体多層膜反射鏡の酸化されるAl高濃度層2a、6aの層数差が10とすると、全体で数十GPaオーダの応力差が非等方的に発生する。このため、半導体活性層4へ印加される応力および歪は、方向により大きく異なり、且つ、メサ部中心の活性層に対して、近接の位置で作用する構造であるため、偏波制御性が高くなる。加えて、メサ部周辺の凹部に埋め込まれたフィラー膜材料としてポリイミド樹脂などを用いることにより、応力(歪)は増大し、非対称性も高めることができるため偏波制御性を更に高めることができる。これにより、第1実施形態と同様に偏波制御性の高い面発光型半導体レーザ素子を得ることができる。
The surface-emitting type semiconductor laser device of this embodiment is the same as the surface-emitting type semiconductor laser device of the first embodiment shown in FIGS. 1 to 9, except that the lower oxidized
次に、本実施形態の面発光型半導体レーザの作製方法について具体的に説明する。 Next, a method for manufacturing the surface emitting semiconductor laser according to the present embodiment will be specifically described.
先ず、洗浄された厚さ400μmの3インチ、面方位(100)のn型GaAs基板1上に、MOCVD装置を用いてn型の半導体多層膜反射鏡2、電流狭窄部14となる被酸化層2a、半導体クラッド層3、半導体活性層4、半導体クラッド層5、電流狭窄部14となる被酸化層6a、p型の半導体多層膜反射鏡6、コンタクト層7を順次成長する。
First, an oxidized layer serving as an n-type
ここで半導体活性層4と半導体クラッド層3及び半導体クラッド層5よりなる共振器の上下に半導体多層膜反射鏡2及び6を配置したものを基本構造とし、1.3μm帯のGaInAsN面発光型半導体レーザとして設計及び製作した。
Here, a
半導体多層膜反射鏡2、は波長1.3μmの光学波長1/4の厚さでn型GaAs層(高屈折率層)とn型AlyGa1−yAs(0<y<1)(低屈折率層)が交互に積層された積層構造とした。本実施形態では、Al組成、y=0.94のAl0.94Ga0.06As層を低屈折率層に用いた。また、半導体多層膜反射鏡2のn型ドーパントとして、Siを用い、ドーパント濃度は、2×1018/cm3とした。
The
半導体クラッド層3はn型GaInPとした。半導体活性層4は発光ピーク波長が1.3μmとなるように調整されたGaxIn1−xAsyN1−y(0≦x≦1、0≦y<1)層及びバリヤ層としてGaAs層が積層された量子井戸構造とした。ここでは中心にGaxIn1−xAsyN1−y(0≦x≦1、0≦y<1)層を形成し、この上下にバリヤ層としてGaAs層が形成された3層構造とした。GaxIn1−xAsyN1−y(0≦x≦1、0≦y<1)量子井戸層4のIn組成は30%〜35%、窒素組成は0.5%〜1.0%とし、厚さは7nmした。GaxIn1−xAsyN1−y(0≦x≦1、0≦y<1)からなる量子井戸層4の格子定数は、n型GaAs基板1よりも大きくなるように組成を制御して、圧縮歪量、約2.5%を内在する組成Ga0.66In0.34As0.99N0.01とした。このため、微分利得係数は増大し、無歪の場合に比較して、しきい電流値が一層低減された。
The semiconductor clad
半導体クラッド層5はp型GaInPとした。半導体多層膜反射鏡6は、波長1.3μmの光学波長1/4の厚さでp型GaAs層(高屈折率層)とp型AlyGa1−yAs(0<y<1)(低屈折率層)が交互に積層された積層構造とした。n型半導体多層膜反射鏡2と同様に、本実施形態では、Al組成、y=0.94のAl0.94Ga0.06As層を低屈折率層に用いた。また、半導体多層膜反射鏡6のp型ドーパントとして、C(炭素)を用い、ドーパント濃度は、2×1018/cm3(量子井戸層4付近)〜1×1019/cm3(コンタクト層7付近)とした。
The
被酸化層32は、クラッド層5上に形成し、上下の半導体多層膜反射鏡6、2を構成するAlGaAsよりAl組成比の大きいAlxGa1−xAs(x≧0.98)を用いる。本実施形態においては、被酸化層32として、Al0.98Ga0.02As層を用いた。コンタクト層7はp型GaAsとし、p型ドーパントとして、C(炭素)を用い、ドーパント濃度は、2×1019/cm3とした。
The oxidized
次に、パターン形成用のエッチングマスクを兼用する保護膜8として、Si3N4膜を第1実施形態の実施例と同様に形成した。
Next, a Si 3 N 4 film was formed in the same manner as in the example of the first embodiment as the
次に、フォトリソグラフィ工程によりn型半導体多層膜反射鏡2までエッチングを行い、メサ部100を形成した。メサパターンは、ICP(Inductively Coupled Plasma)プラズマドライエッチング装置により、三塩化ボロン・窒素混合ガスによるエッチング処理を行った。このとき、アンテナ出力、バイアス出力、基板温度を調整することで、異方性エッチングが生じる条件とした。ここでは、開口部(電流狭窄部)14をφ5μmの円形とする面発光型半導体レーザ素子の作製を行うため、メサを直径45μmの円柱形状のエッチングを行った。
Next, the n-type semiconductor multilayer
次に、水蒸気雰囲気中で420℃の熱処理を行い、被酸化層32を横方向に選択酸化して酸化領域32aを形成した。水蒸気選択酸化による酸化領域32aの形成は、420℃の熱処理で行った。基板温度420℃では、半導体多層膜反射鏡6、2のAl高濃度層6a、2aに用いたAl0.94Ga0.06As層の酸化速度は、被酸化層32のAl0.98Ga0.02As層の約1/4であり、ここでは、酸化領域32aの形成のため、被酸化層32の酸化長を20μmに設定しているので、半導体多層膜反射鏡6、2のAl高濃度層6a、2aの横方向の酸化長は5μmになる。このとき、メサ部形成用のエッチング深さが異なることにより、メサ部100中心の活性層に印加される圧縮応力に非対称性が生まれる。半導体多層膜反射鏡6のAl高濃度層6aであるAl0.94Ga0.06As層の酸化による体積収縮は、7.5%〜8.5%である。このため、エッチング深さの異なる凹部12a、12bの側壁において、半導体多層膜反射鏡の酸化されるAl高濃度層の層数の差を10とすると、全体で数十GPaオーダの応力が発生し、また、活性層に与える応力、歪の大きさが、方向により大きく異なることになる。1層あたりに生じる応力はAlを更に高濃度に含む被酸化層32に比べると小さく、またメサ中心の活性層からの距離は遠いが、酸化されるAl高濃度層の層数の差が大きければ、総応力は大きくなり、同等の偏波制御性、形状制御性が得られることになる。また傾斜基板において、オフ角度方向に生じる形状の歪み(縦と横で0.75μmの寸法差)が、0.1μmに低減されることが示された。
Next, heat treatment was performed at 420 ° C. in a steam atmosphere, and the oxidized
次に、感光性ポリイミド樹脂を用いて、メサ部100を取り囲む凹部12a、12bのみに埋め込みフィラー膜200を形成する。次に、ボンディングパッド17を形成した。次に、光取り出し口となるp型半導体多層膜反射鏡6上の保護膜8を除去し、p型GaAsコンタクト層7上にp側電極9を形成する。このときボンディングパッド17とp側電極9とをつなぐ配線18、9aを同時に形成し、その後、基板裏面にn側電極10を形成した。
Next, a buried
このようにして作製された面型半導体レーザ素子は、波長1.3μmで活性層4の圧縮歪導入の効果により、低しきい値電流密度、単一モードの室温連続発振が得られ、高温での特性も良好であった。また、偏波制御が可能になり、偏波の変動やスイッチングが発生しなくなった。これに伴って、ノイズも低下し、光ディスクヘッド、通信用素子として利用することが可能になった。
The surface-type semiconductor laser device manufactured in this way has a low threshold current density and single-mode room-temperature continuous oscillation at a wavelength of 1.3 μm due to the effect of introducing compressive strain in the
また、第1実施形態と同様に、異方性酸化により生じる非酸化領域、出射ビームパターンの寸法および形状が改善され、所望のビームパターン寸法および形状が得られた。 Further, as in the first embodiment, the non-oxidized region generated by anisotropic oxidation and the size and shape of the outgoing beam pattern were improved, and the desired beam pattern size and shape were obtained.
本実施形態では、活性層4として、GaxIn1−xAsyN1−y(0≦x≦1、0≦y<1)を用いて説明したが、それに限らず、InGaAlP系、AlGaAs系やInGaAsP系など、様々な材料を用いることもできる。また、クラッド層4及び5、半導体多層膜反射鏡2及び6も、様々な材料を用いることもできる。例えば、半導体多層膜反射鏡2及び6としては、AlGaAs層とGaAs層の積層構造に限らず、Alを含まない屈折率の大きい材料と小さい材料の積層構造も可能である。また、GaInP/GaAs、GaInPAs/GaAs、GaInP/GaInAs、GaInP/GaPAs、GaInP/GaInAs、GaP/GaInAsN等の組合せを用いることができる。
In this embodiment, the
また、成長方法について、MBE法等を用いることもできる。また、上述の例では、積層構造として3重量子井戸構造の例を示したが、他の量子井戸を用いた構造等を用いることもできる。 As a growth method, an MBE method or the like can also be used. In the above example, the example of the triple quantum well structure is shown as the stacked structure, but a structure using other quantum wells or the like can also be used.
また、上下被酸化層32が、1層である場合を説明したが、複数層である場合も同様な効果を得ることができる。
Moreover, although the case where the upper and lower
また、所望の開口部(発光領域13)の形状として、本実施形態では、円形状であったが、正方形、長方形、楕円などの形状を用いても同様の効果を得ることができることは明らかである。 In addition, in the present embodiment, the shape of the desired opening (light emitting region 13) is a circular shape, but it is obvious that the same effect can be obtained even if a shape such as a square, a rectangle, or an ellipse is used. is there.
また、本実施形態では、電流狭窄部の形成用の被酸化層32として、Al0.98Ga0.02As層を用いたが、AlAs層、Al組成比の低いAlxGa1−xAs(x≧0.95)を用いても同様の効果が得られることは明らかである。
In the present embodiment, an Al 0.98 Ga 0.02 As layer is used as the oxidized
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態による面発光型半導体レーザの構成を図25乃至図30を参照して説明する。図25はその上面図、図26は図25に示す切断線A−A’で切断したときの断面図、図27は、図25に示す切断線B−B’で切断したときの断面図である。図28は本実施形態の面発光型半導体素子をある高さ26で切断したときの半導体多層膜反射鏡6の酸化領域6bの形状、および高さ27で切断したときの上層被酸化層32の酸化領域32aの形状をそれぞれ重ねて示した図、図29は図28に示す切断線A−A’で切断したときの断面図、図30は図28に示す切断線B−B’で切断したときの断面図である。
(Third embodiment)
Next, the structure of a surface emitting semiconductor laser according to a third embodiment of the invention will be described with reference to FIGS. 25 is a top view thereof, FIG. 26 is a cross-sectional view taken along the cutting line AA ′ shown in FIG. 25, and FIG. 27 is a cross-sectional view taken along the cutting line BB ′ shown in FIG. is there. FIG. 28 shows the shape of the oxidized
本実施形態の面発光型半導体レーザ素子は、図1乃至図9に示す第1実施形態の面発光型半導体レーザ素子において、下層被酸化層30を削除するとともに、第1の半導体多層膜反射鏡6に酸化速度を制御するためのプロトン注入領域15を設けた構成となっている。
The surface-emitting type semiconductor laser device of this embodiment is the same as the surface-emitting type semiconductor laser device of the first embodiment shown in FIGS. 1 to 9, except that the lower oxidized
プロトン注入領域15が設けられた第1の半導体多層膜反射鏡6を構成するAl高濃度層6aでは、水蒸気酸化において、図41に示すように、その酸化速度はプロトン濃度に比例して大きく減速する。このため、プロトン注入領域15では、凹部12a、12bの側面からの酸化長は短く、酸化長の長い(プロトンが注入されていない)半導体多層膜反射鏡のAl高濃度層6aと比べ、応力は小さく、メサ部中心の半導体活性層4に与える歪の印加は非等方的(非対称)になる。したがって、本実施形態の面発光型半導体レーザ素子は、第1乃至第2実施形態と同様に、偏波制御性を高くすることができ、高い性能を得ることができる。また、作製も後述するように容易であり、面発光型半導体レーザ素子の量産性も向上する。
In the Al
次に、本実施形態の面発光型半導体レーザ素子の製造方法を具体的に説明する。 Next, a method for manufacturing the surface-emitting type semiconductor laser device of this embodiment will be specifically described.
先ず、洗浄された厚さ400μmの3インチ、面方位(100)のn型GaAs基板1上に、MOCVD装置を用いてn型の半導体多層膜反射鏡2、半導体クラッド層3、半導体活性層4、半導体クラッド層5、電流狭窄部となる被酸化層32、p型の半導体多層膜反射鏡6、コンタクト層7を順次成長する。
First, an n-type
ここで半導体活性層4と半導体クラッド層3及び半導体クラッド層5よりなる共振器の上下に半導体多層膜反射鏡2及び6を配置したものを基本構造とし、1.3μm帯のGaInAsN面発光型半導体レーザとして設計及び製作した。
Here, a
半導体多層膜反射鏡2、は波長1.3μmの光学波長1/4の厚さでn型GaAs層(高屈折率層)とn型AlyGa1−yAs(0<y<1)(低屈折率層)が交互に積層された積層構造とした。本実施形態では、Al組成、y=0.94のAl0.94Ga0.06As層を低屈折率層に用いた。また、半導体多層膜反射鏡2のn型ドーパントとして、Siを用い、ドーパント濃度は、2×1018/cm3とした。
The
半導体クラッド層3の材料としてn型GaInPを用いた。半導体活性層4は発光ピーク波長が1.3μmとなるように調整されたGaxIn1−xAsyN1−y(0≦x≦1、0≦y<1)層及びバリヤ層としてGaAs層が積層された量子井戸構造とした。ここでは中心にGaxIn1−xAsyN1−y(0≦x≦1、0≦y<1)層を形成し、この上下にバリヤ層としてGaAs層が形成された3層構造とした。GaxIn1−xAsyN1−y(0≦x≦1、0≦y<1)量子井戸層4のIn組成は30%〜35%、窒素組成は0.5%〜1.0%とし、厚さは7nmした。GaxIn1−xAsyN1−y(0≦x≦1、0≦y<1)からなる量子井戸層4の格子定数は、n型GaAs基板1よりも大きくなるように組成を制御して、圧縮歪量、約2.5%を内在する組成Ga0.66In0.34As0.99N0.01とした。このため、微分利得係数は増大し、無歪の場合に比較して、しきい電流値が一層低減された。
N-type GaInP was used as the material of the
半導体クラッド層5はp型GaInPとした。半導体多層膜反射鏡6は、波長1.3μmの光学波長1/4の厚さでp型GaAs層(高屈折率層)とp型AlyGa1−yAs(0<y<1)(低屈折率層)が交互に積層された積層構造とした。n型半導体多層膜反射鏡2と同様に、本実施形態では、Al組成、y=0.94のAl0.94Ga0.06As層を低屈折率層に用いた。また、半導体多層膜反射鏡6のp型ドーパントとして、C(炭素)を用い、ドーパント濃度は、2×1018/cm3(量子井戸層4付近)〜1×1019/cm3(コンタクト層7付近)とした。
The
上層被酸化層32は、クラッド層5上およびクラッド層3下にそれぞれ形成され、上下の半導体多層膜反射鏡6、2を構成するAlGaAsよりAl組成比の大きいAlxGa1−xAs(x≧0.98)を用いる。本実施例においては、AlxGa1−xAs(x=0.98)層を用いた。コンタクト層7はp型GaAsとし、p型ドーパントとして、C(炭素)を用い、ドーパント濃度は、2×1019/cm3とした。
The upper
次に、メサパターン形成用のエッチングマスクを兼用する保護膜8としてSi3N4膜をフォトリソグラフィ工程を用いて形成した。続いて、保護膜8と、この保護膜8をパターニングする際に用いたレジストパターン(図示せず)とをマスクとして用いて、プロトン注入領域15を形成した。そして、イオン注入装置により、半導体多層膜反射鏡6のAl高濃度層6aに、加速電圧:200keV、ドーズ量:3×1013/cm2の条件でイオン注入を行った。このとき形成されるプロトン注入領域15は、表面から深さ1.5μmで最大濃度が1×1018/cm3となり、表面から深さ1μm〜2μmの部分の濃度が1×1016/cm3以上となる領域である。また、被酸化層32のAl0.98Ga0.02As層(表面から深さ2.6μm)には、プロトンは注入されない。また、本条件では、注入領域は高抵抗化されない濃度である。図41に示すAlGaAs層の酸化速度のプロトン濃度依存性からわかるように、プロトン濃度1×1017/cm3で、酸化速度は約1/3に低下する。したがって、プロトン注入された半導体多層膜反射鏡6のAl高濃度層6aは、水蒸気酸化工程における酸化速度が大きく減速し、酸化長を約1/3にでき、かつ素子抵抗も高くはならない。
Next, a Si 3 N 4 film was formed as a
次に、保護膜8上にメサ形成用パターンをレジストで形成し、このメサ形成用パターンをマスクとしてフォトリソグラフィ工程により、n型半導体多層膜反射鏡2の上部までエッチングを行い、メサ部100を作製する。メサパターンは、ICP(Inductively Coupled Plasma)プラズマドライエッチング装置により、三塩化ボロン・窒素混合ガスによるエッチング処理を行った。このとき、アンテナ出力、バイアス出力、基板温度を調整することで、異方性エッチングが生じる条件とした。ここでは、開口部(発光領域13)を直径5μmの円形とする面発光型半導体レーザの作製を行うため、メサ部100を直径45μmの円柱形状となるようにエッチングを行った。
Next, a mesa formation pattern is formed on the
次に、水蒸気雰囲気中で420℃の熱処理を行い、被酸化層32を横方向に選択酸化し電流狭窄部となる酸化領域32aを形成した。基板温度420℃では、(プロトン注入なし)半導体多層膜反射鏡6のAl高濃度層6aであるAl0.94Ga0.06As層の酸化速度は、被酸化層であるAl0.98Ga0.02As層の約1/4である。ここでは、酸化領域32aの形成のため、被酸化層32の酸化長を20μmに設定しているので、プロトンが注入されていない部分の半導体多層膜反射鏡6のAl高濃度層6aの横方向の酸化長は、5μmになる。これが、プロトン注入領域15では、約1/3の1.7μmと短くなり、メサ部100の中心の活性層4に印加される圧縮応力に非対称性が生まれる。半導体多層膜反射鏡6のAl高濃度層6aであるAl0.94Ga0.06As層の酸化による体積収縮は、7.5%〜8.5%であり、プロトンが注入される半導体多層膜反射鏡の層数を10とすると、全体で数十GPaオーダの応力が発生し、また、活性層4に与える応力、歪の大きさが、活性層4の中心と被酸化層32の距離に反比例して減少するため、活性層4に印加される圧縮応力は、方向により大きく異なることになる。側面からの酸化長を20μmとし、直径が5μm径の非酸化(発光)領域13を作製したとき、傾斜基板(10°オフ)におけるオフ角度方向に生じる形状の歪み(縦と横で0.75μmの寸法差)は、通常基板(100)においては、0.1μmに低減されることが示された。
Next, heat treatment was performed at 420 ° C. in a water vapor atmosphere to selectively oxidize the oxidized
次に、感光性ポリイミド樹脂を用いてメサ部100を取り囲む凹部12a、12bにフィラー膜材料(例えばポリイミド樹脂)を埋め込み、フィラー膜200を形成した。次に、ボンディングパッド17を形成した。次に、光取り出し口となるp型半導体多層膜反射鏡6上の保護膜8を除去し、p型GaAsコンタクト層7上にp側電極9を形成する。このときボンディングパッド17とp側電極9とをつなぐ配線18、9aを同時に形成し、その後、基板裏面にはn側電極10を形成した。
Next, a filler film material (for example, polyimide resin) was embedded in the
このようにして作製された面型半導体レーザは、波長1.3μmで活性層4の圧縮歪導入の効果に加え、配線パス下のプロトン注入による高抵抗化により、リーク電流が阻止され、低しきい電流密度、単一モードの室温連続発振が得られ、高温での特性も良好であった。また、偏波制御が可能になり、偏波の変動やスイッチングが発生しなくなった。これに伴って、ノイズも低下し、光ディスクヘッド、通信用素子として利用することが可能になった。
In the surface type semiconductor laser fabricated in this way, in addition to the effect of introducing compressive strain in the
ここでは、被酸化層32として、本実施形態では1層の場合を説明したが、複数層である場合も同様な効果を得ることができる。また被酸化層として、被酸化層32の代わりに、クラッド層3と半導体多層膜反射鏡2の間に、半導体多層膜反射鏡2を構成するAlGaAsよりAl組成比の大きいAlxGa1−xAs(x≧0.95)を設けるように構成してもよい。すなわち、図1乃至図9に示す第1実施形態の被酸化層30を設けることになる。この場合、表面より深いところに被酸化層が位置するため、プロトン注入の影響を受けにくいという利点を持つ。
Here, the case where the layer to be oxidized 32 is a single layer has been described in the present embodiment, but the same effect can be obtained when the layer is a plurality of layers. In addition, instead of the oxidized
(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態による面発光型半導体レーザの構成を図31乃至図39を参照して説明する。図31はその上面図、図32は図31に示す切断線A−A’で切断したときの断面図、図33は、図31に示す切断線B−B’で切断したときの断面図である。図34は本実施形態の面発光型半導体素子をある高さ26で切断したときの半導体多層膜反射鏡6の酸化領域6bの形状、および高さ27で切断したときの上層被酸化層32の酸化領域32aの形状をそれぞれ重ねて示した図、図35は図34に示す切断線A−A’で切断したときの断面図、図36は図34に示す切断線B−B’で切断したときの断面図である。また、図37は本実施形態の面発光型半導体素子を高さ28で切断したときの下層被酸化層30の酸化領域30aの形状、および高さ29で切断したときの半導体多層膜反射鏡2の酸化領域2bの形状を重ねて示した図、図38は図37に示す切断線A−A’で切断したときの断面図、図39は図37に示す切断線B−B’で切断したときの断面図である。
(Fourth embodiment)
Next, the structure of a surface emitting semiconductor laser according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 31 is a top view thereof, FIG. 32 is a sectional view taken along the cutting line AA ′ shown in FIG. 31, and FIG. 33 is a sectional view taken along the cutting line BB ′ shown in FIG. is there. FIG. 34 shows the shape of the oxidized
本実施形態の面発光型半導体レーザ素子は、図1乃至図9に示す第1実施形態の面発光型半導体レーザ素子において、凹部12a、12bの深さをより深くするが異なる深さとするとともに、A−A’線方向の第1の半導体多層膜反射鏡6にのみ酸化速度を制御するためのプロトン注入領域15を設けた構成となっている。これにより、本プロトン注入領域15の第1の半導体多層膜反射鏡6を構成するAl高濃度層6aおよび被酸化層32は、水蒸気酸化において、その酸化速度はプロトン濃度に比例して大きく減速する。プロトン注入領域15では、凹部側面からの酸化長は短く、メサ部中心の半導体活性層4に与える歪の印加は非等方的(非対称)になる。ここでは、第1の半導体多層膜反射鏡6のAl高濃度層6aの酸化領域6b、上層被酸化層32の酸化領域32a、フィラー膜200の3つ何れもが非対称性を持ち、非対称性の高い応力が印加される構造となっている。このため、偏波消光比20dB以上の非常に高い選択性が得られ、偏波制御性に優れるレーザ特性が得られた。
The surface-emitting type semiconductor laser device of the present embodiment is different from the surface-emitting type semiconductor laser device of the first embodiment shown in FIGS. 1 to 9 in that the depths of the
電流狭窄構造として、被酸化層32では、図34乃至図36に示すようにA−A‘線方向に広がる酸化形状になっているが、プロトン注入領域15の形成されていない下層被酸化層30において所望の狭窄形状が得られる構造になっている。
As the current confinement structure, the oxidized
本実施形態では、活性層4として、GaxIn1−xAsyN1−y(0≦x≦1、0≦y<1)を用いたが、それに限らず、InGaAlP系、AlGaAs系やInGaAsP系など、様々な材料を用いることもできる。
In the present embodiment, Ga x In 1-x As y N 1-y (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y <1) is used as the
また、クラッド層4及び5、半導体多層膜反射鏡2及び6も、様々な材料を用いることもできる。例えば、半導体多層膜反射鏡2及び6としては、AlGaAs層とGaAs層の積層構造に限らず、Alを含まない屈折率の大きい材料と小さい材料の積層構造も可能である。また、GaInP/GaAs、GaInPAs/GaAs、GaInP/GaInAs、GaInP/GaPAs、GaInP/GaInAs、GaP/GaInAsN等の組合せを用いることができる。
The cladding layers 4 and 5 and the
また、成長方法について、MBE法等を用いることもできる。また、上述の例では、積層構造として3重量子井戸構造の例を示したが、他の量子井戸を用いた構造等を用いることもできる。 As a growth method, an MBE method or the like can also be used. In the above example, the example of the triple quantum well structure is shown as the stacked structure, but a structure using other quantum wells or the like can also be used.
また、所望の開口部(発光領域13)の形状として、本実施形態では、円形状であったが、正方形、長方形、楕円などの形状を用いても同様の効果を得ることができることは明らかである。 In addition, in the present embodiment, the shape of the desired opening (light emitting region 13) is a circular shape, but it is obvious that the same effect can be obtained even if a shape such as a square, a rectangle, or an ellipse is used. is there.
また、注入するプロトン濃度については、本実施形態では1×1017/cm3を用いるが、この濃度よりも高濃度あるいは低濃度のプロトンを用いても、同様の効果が得られることは明らかである。高濃度のプロトンを注入する場合、Alを高濃度に含有する半導体多層膜反射鏡6のAl高濃度層6aの酸化速度は大きく低下し、所望の位置で酸化の進行を抑制でき、酸化長や酸化形状の制御性は高くなるため好適である。その一方で、半導体多層膜反射鏡2、6のドーパント濃度よりも、プロトンを高濃度に注入した場合、プロトン注入領域は高抵抗化し、電流が流れにくくなるため、選択酸化による酸化領域に電流が流れやすい。このため、非酸化領域に電流が絞り込まれるように、プロトン注入領域および上部電極の位置を工夫する必要がある。また、プロトン注入領域15に注入されるプロトンの濃度は1×1018/cm3以下であることが好ましい。
Further, in the present embodiment, 1 × 10 17 / cm 3 is used as the proton concentration to be injected. However, it is obvious that the same effect can be obtained even if protons having a concentration higher or lower than this concentration are used. is there. When high concentration protons are injected, the oxidation rate of the Al
また、本実施形態では、電流狭窄部形成用の被酸化層32として、Al0.98Ga0.02As層を用いるが、Al組成比の高いAlAs層や、AlxGa1−xAs(x≧0.95)を用いても同様の効果が得られることは明らかである。
In this embodiment, an Al 0.98 Ga 0.02 As layer is used as the oxidized
以上説明したように、本発明の各実施形態によれば、面方位(100)面等の通常基板上に作製しても、偏波制御性、量産性の高い高性能な面発光型半導体素子を得ることができる。 As described above, according to each embodiment of the present invention, a high-performance surface-emitting semiconductor element having high polarization controllability and mass productivity even when manufactured on a normal substrate such as a plane orientation (100) plane Can be obtained.
1 半導体基板
2 半導体多層反射膜
2a 酸化領域
3 クラッド層
4 半導体活性層
5 クラッド層
6 半導体多層反射膜
6a 半導体多層反射鏡のAl高濃度層
6b 酸化領域
7 コンタクト層
8 保護膜
9 p側電極
9a 配線部
9b 周辺電極
10 n側電極
12a エッチング領域(凹部)
12b エッチング領域(凹部)
13 発光領域
15 プロトン注入領域
17 ボンディングパッド
18 配線パス
19 注入電流
30 下層被酸化層
32 上層被酸化層
50 周辺部
100 メサ部
200 フィラー膜
DESCRIPTION OF
12b Etching region (concave)
13
Claims (10)
前記基板上に形成された発光領域を有する半導体活性層と、
前記半導体活性層を狭持し、前記基板に対して垂直方向の共振器を形成する、
前記半導体活性層に対して前記基板と反対側に形成された第1半導体多層膜反射鏡及び前記半導体活性層に対して前記基板側に形成された第2半導体多層膜反射鏡と、
前記半導体活性層に電流を注入するための一対の電極と、
前記半導体活性層の近傍に形成され、Alを含む第1被酸化層を有し、前記第1被酸化層の側部が酸化され中央部が未酸化である電流狭窄部と、
少なくとも前記第1被酸化層の最表面層まで到達する溝深さの第1凹部と、
前記第1被酸化層を貫通する第2凹部と、
前記第1および第2凹部に囲まれたメサ部と、
前記第1および第2凹部のうちの少なくとも前記第2凹部に埋め込まれた絶縁膜と、
を備え、
前記電流狭窄部の前記第1被酸化層は、前記第1凹部が設けられた方向と、前記第2の凹部が設けられた方向とで酸化された領域の大きさが異なることを特徴とする面発光型半導体素子。 A substrate,
A semiconductor active layer having a light emitting region formed on the substrate;
Sandwiching the semiconductor active layer to form a resonator perpendicular to the substrate;
A first semiconductor multilayer reflector formed on the opposite side of the substrate with respect to the semiconductor active layer, and a second semiconductor multilayer reflector formed on the substrate side with respect to the semiconductor active layer;
A pair of electrodes for injecting current into the semiconductor active layer;
A current confinement portion formed in the vicinity of the semiconductor active layer, having a first oxidizable layer containing Al, wherein a side portion of the first oxidizable layer is oxidized and a central portion is unoxidized;
A first recess having a groove depth reaching at least the outermost surface layer of the first oxidizable layer;
A second recess penetrating the first oxidizable layer;
A mesa portion surrounded by the first and second recesses;
An insulating film embedded in at least the second recess of the first and second recesses;
With
The first oxidized layer of the current confinement portion is characterized in that the size of the oxidized region is different between the direction in which the first recess is provided and the direction in which the second recess is provided. Surface-emitting semiconductor element.
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